FR2966643A1 - Dispositif de detection de photon assiste par plasmons de surface et procede de fabrication du dispositif - Google Patents
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Abstract
Le détecteur optique comporte un élément de détection (2) de photon comprenant une piste (4) supraconductrice et un guide d'onde (1) agencé pour être couplé à l'élément de détection (2) par plasmons de surface au niveau d'une zone de couplage. Le guide d'onde (1) est maintenu à distance de l'élément de détection (2). Au niveau de la zone de couplage, l'élément de détection (2) comporte une couche (5) électriquement conductrice en contact électrique avec la piste (4) supraconductrice.
Description
Dispositif de détection de photon assisté par plasmons de surface et procédé de réalisation du dispositif Domaine technique de l'invention
L'invention est relative à un dispositif de détection de photon comportant : un élément de détection de photon comprenant une piste 10 supraconductrice, un guide d'onde agencé pour être couplé à l'élément de détection par plasmon de surface au niveau d'une zone de couplage, ledit guide d'onde étant maintenu à distance de l'élément de détection.
15 État de la technique
Dans les technologies des télécommunications (cryptographie), de l'imagerie médicale, de l'astronomie, les dispositifs de détection de photon(s) sont de 20 plus en plus utilisés. La miniaturisation de ces dispositifs de détection par l'utilisation de la microélectronique et des nanotechnologies permet de détecter plus finement la lumière, voire de détecter un unique photon avec une sensibilité accrue.
25 Le document FR2886762 décrit un détecteur optique ultrasensible. Comme illustré à la figure 1, un détecteur optique de photon comporte un guide d'onde 1 en silicium couplé à un élément de détection 2 formé par une piste en matériau supraconducteur, par exemple en NbN.
30 L'absorption du photon par l'élément de détection 2 perturbe le transport électronique dans l'élément de détection de sorte que l'absorption d'un5 2
photon est détectable par une mesure de tension ou de courant au niveau de bornes de connexion 3a, 3b de l'élément de détection 2. Pour un matériau supraconducteur, l'absorption d'un photon génère un point chaud créant une barrière résistive locale sur une section de la piste en matériau supraconducteur. Il est ensuite possible de déterminer si une barrière résistive a été créée en effectuant, par exemple, des mesures sur les deux bornes de connexion 3a, 3b disposées aux extrémités de la piste en matériau supraconducteur.
Un tel dispositif de détection est caractérisé par un temps mort correspondant à la relaxation de l'élément de détection. Le temps mort est en fait un intervalle de temps pendant lequel la piste supraconductrice devient métallique suite à l'absorption d'un photon. Au cours de ce temps mort, de nouveaux photons venant à être couplés à l'élément de détection ne pourront être comptabilisés. La rapidité de ce dispositif de détection est donc affectée par le temps nécessaire à relaxation de la piste supraconductrice.
Objet de l'invention L'objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif de détection de photon à base d'un élément de détection comprenant une piste supraconductrice dont le temps de relaxation et l'efficacité sont optimisés.
25 Cet objet est atteint en ce qu'au niveau de la zone de couplage, l'élément de détection comporte une couche électriquement conductrice en contact électrique avec la piste supraconductrice.
Selon un développement, la piste supraconductrice comporte un état 30 supraconducteur et un état métallique, la résistivité électrique de la piste20 supraconductrice dans son état métallique étant supérieure à la résistivité électrique de la couche électriquement conductrice. Selon un mode de réalisation, la couche électriquement conductrice est disposée entre la piste supraconductrice et le guide d'onde, ou, dans un autre mode la piste supraconductrice est disposée entre la couche électriquement conductrice et le guide d'onde. Selon un développement, l'élément de détection recouvre partiellement le guide d'onde au niveau de la zone de couplage, et la longueur de recouvrement partiel du guide d'onde par l'élément de détection est un multiple entier impair d'une longueur de couplage effectif entre le guide d'onde et l'élément de détection.
Selon un mode de réalisation, l'élément de détection forme une cavité résonnante agencée pour piéger un photon incident. Pour cela, l'élément de détection peut recouvrir partiellement le guide d'onde au niveau de la zone de couplage, et la longueur de recouvrement partiel du guide d'onde par l'élément de détection peut être égale à un multiple impair de la longueur de couplage effectif entre le guide d'onde et l'élément de détection, la longueur totale de l'élément de détection étant égale à la longueur de recouvrement plus une longueur de cavité égale à ~ avec  la longueur d'onde 2* n e incidente (c'est à dire de la source) et ne l'indice effectif du mode se propageant dans l'élément de détection. Le guide d'onde peut aussi être structuré par un miroir en aval de l'élément de détection selon le sens de déplacement de l'onde dans le guide d'onde, ledit miroir étant agencé pour réfléchir un photon non absorbé vers l'élément de détection et autoriser un second passage du photon dans l'élément de détection. 4
Selon un mode de réalisation, l'élément de détection a une forme de U réalisée dans un plan parallèle au plan du guide d'onde, les deux branches du U recouvrant partiellement le guide d'onde.
L'invention est aussi relative à un procédé de réalisation d'un dispositif de détection de photon comportant, sur un substrat, les étapes suivantes : former un guide d'onde, former, à distance du guide d'onde, un élément de détection comportant une couche électriquement conductrice en contact électrique avec une piste supraconductrice au niveau d'une zone de couplage de l'élément de détection avec le guide d'onde
Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : 20 La figure 1 illustre un dispositif de détection de photon selon l'art antérieur. Les figures 2 et 3 illustrent un premier mode de réalisation d'un dispositif de détection de photon selon l'invention vu respectivement en trois dimensions et sur le côté. 25 Les figures 4 et 5 illustrent un second mode de réalisation d'un dispositif de détection de photon selon l'invention vu respectivement en trois dimensions et sur le côté. La figure 6 illustre un mode de réalisation utilisant une cavité résonnante. La figure 7 illustre, vu de dessus, un mode de réalisation avec un élément de 30 détection se présentant sous la forme d'un U.15 La figure 8 illustre, vu de dessus, un mode de réalisation avec un élément de détection se présentant sous la forme d'un serpentin. Les figures 9 à 13 illustrent différentes étapes de réalisation d'un détecteur optique. Description de modes préférentiels de réalisation
Le dispositif de détection de photon décrit ci-après diffère des dispositifs de io l'art antérieur en ce qu'il comporte une couche supplémentaire en matériau électriquement conducteur permettant d'accélérer la relaxation de la piste supraconductrice, et d'augmenter l'efficacité de la détection.
Selon une configuration adaptée, lorsqu'une onde lumineuse se propage 15 dans un guide d'onde, elle peut se coupler aux électrons d'un métal placé à proximité. Une onde se propage alors à l'interface entre une couche électriquement conductrice et un diélectrique environnant, c'est un plasmon de surface. La lumière peut ainsi être confinée par l'élément de détection et sa probabilité d'être absorbé est importante. Ainsi, les modes de réalisation 20 décrits ci-après permettent aussi d'augmenter l'efficacité du détecteur car la densité de puissance et le temps de passage de la lumière sont augmentés au niveau de l'élément de détection grâce à la couche supplémentaire.
Comme illustré aux figures 2 à 8, le dispositif de détection de photon 25 comporte un guide d'onde 1, par exemple formé par un guide en silicium, ou en verre, pouvant se présenter sous la forme d'un ruban. Un tel guide d'onde 1 peut être un matériau de type III ou IV, ou un alliage de ces types de matériaux tels que InP, GaS, InGaS. Avantageusement, le guide d'onde 1 est transparent à l'onde considérée. Par onde considérée, on entend l'onde 30 électromagnétique ou optique se propageant dans le guide d'onde 1. La plage de détection du dispositif est, de préférence, comprise entre le visible 5 2966643 s
et l'infrarouge proche. De manière générale, le guide d'onde 1 peut être un guide plan partiellement gravé (guide arrête) ou totalement gravé (cristaux photoniques) et/ou localement structuré pour contenir, par exemple, des réseaux pour le couplage du guide d'onde 1 à une fibre optique (non 5 représentée) en amont de l'élément de détection 2 selon le sens de déplacement de l'onde considérée. Sur les figures 2 à 8, le sens de déplacement de l'onde considérée est indiqué par les flèches F1 et F2, cette direction de déplacement de l'onde peut être sensiblement parallèle à l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1. La fibre optique, ou une autre source de lumière, pourra être couplée au guide d'onde 1, en amont de l'élément de détection 2 par un taper (couplage sur la tranche) ou des réseaux (couplage quasi-vertical) structurés sur le guide d'onde 1. De préférence, la structure permettant de coupler une fibre optique, ou autre source de lumière, au guide d'onde 1 sera placée à au moins 1 mm en amont de l'élément de détection 2, selon une direction définie le long de l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1 et selon le sens de déplacement de l'onde considérée, afin que seule la lumière issue du guide d'onde 1 puisse être couplée à l'élément de détection 2.
Le dispositif de détection comporte en outre un élément de détection 2 de photon comprenant une piste 4 supraconductrice. Cet élément détection peut tout aussi bien détecter un photon unique qu'une pluralité de photons. Par piste 4 supraconductrice, on entend une piste en matériau supraconducteur comme par exemple Nb, NbN. De préférence, pour obtenir un meilleur couplage, l'élément de détection 2 comporte un axe longitudinal A2 parallèle à l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1, et situé dans un plan perpendiculaire au plan du guide d'onde 1, ledit plan perpendiculaire passant, de préférence, par la médiane du guide d'onde 1, ladite médiane étant parallèle à l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1.30
Le guide d'onde 1 est prévu pour guider un photon et le transmettre à l'élément de détection 2. Cette transmission est réalisée par couplage optique du guide d'onde 1 avec l'élément de détection 2 par plasmon de surface au niveau d'une zone de couplage. Le guide d'onde 1 est alors maintenu à distance appropriée de l'élément de détection 2 pour permettre l'interaction des champs évanescents du guide d'onde 1 et de l'élément de détection 2 pour ainsi coupler l'onde considérée. Le guide d'onde 1 verra donc un mode photonique et l'élément de détection 2 verra un mode plasmonique.
Autrement dit, l'élément de détection 2 et le guide d'onde 1 ne sont pas en contact direct, et sont séparés par un intervalle compris, de préférence, entre 10nm et 500nm au niveau de la zone de couplage. De manière générale, la distance maximale de l'intervalle pourra être la valeur de la longueur d'onde considérée.
En fait, lorsqu'une onde se propage dans un guide d'onde 1, une partie de cette onde pénètre dans le milieu environnant, c'est la partie dite évanescente de l'onde. Cette longueur de pénétration est proportionnelle au rapport d'indices de réfraction du guide et de son milieu environnant. Grâce au couplage du guide d'onde 1 avec l'élément de détection 2, le champ évanescent du guide d'onde 1 peut être progressivement accumulé par l'élément de détection 2 quand ces deux derniers sont proches l'un de l'autre. Ce processus est également réciproque.
Un indice peut être défini comme le rapport de la longueur d'onde dans le vide sur la longueur d'onde dans le milieu à traverser.
Par zone de couplage, on entend une zone de recouvrement partiel du guide d'onde 1 par l'élément de détection 2 au niveau de laquelle un couplage optique est réalisé. Autrement dit, au niveau de la zone de couplage, le guide 2966643 s
d'onde 1 est en regard de l'élément de détection 2. Sur les figures 3 et 5 la zone de recouvrement partiel est réalisée sur une distance Lr de recouvrement orientée selon l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1.
5 Afin d'améliorer le temps de relaxation de l'élément de détection 2 et favoriser le couplage, ce dernier comporte une couche 5 électriquement conductrice en contact électrique avec la piste 4 supraconductrice au niveau de la zone de couplage, de préférence au moins sur toute la zone de couplage. Typiquement, cette couche 5 électriquement conductrice est une 10 couche métallique, par exemple en cuivre ou en métal noble (Au, Pt). De manière plus générale, un supraconducteur, ici la piste 4, comporte un état supraconducteur et un état métallique, la résistivité électrique électrique de la couche électriquement conductrice 5 sera, de préférence, inférieure à la résistivité de la piste 4 supraconductrice dans son état métallique. 15 L'épaisseur de la couche 5 électriquement conductrice est, de préférence, comprise entre 10 et 200nm. Cette épaisseur est choisie de telle sorte que l'indice effectif du mode plasmonique se propageant dans l'élément de détection 2 soit sensiblement égal à l'indice effectif du mode photonique se propageant dans le guide d'onde 1. Ceci permet d'optimiser le transfert de 20 puissance du guide d'onde 1 vers l'élément de détection 2.
Un mode correspond à une configuration spatiale du champ électromagnétique induit par la propagation d'une onde électromagnétique ou optique dans l'élément de détection 2. Selon la répartition du champ 25 électromagnétique, un mode donné voit un indice différent des matériaux constituant le guide, et l'indice vu par chaque mode défini un indice effectif. Un indice effectif peut être défini comme le rapport de la longueur d'onde dans le vide sur la longueur d'onde du mode dans le milieu à traverser.
30 Ainsi, l'élément de détection 2 peut être formé par un bicouche comprenant la couche 5 électriquement conductrice en contact électrique avec la piste 4
supraconductrice. Cet ensemble formant l'élément de détection 2 peut alors avoir une épaisseur totale au niveau de la zone de couplage comprise entre 11 nm et 210nm. La piste 4 peut être définie par une épaisseur, dans une direction d1 perpendiculaire au plan de la piste 4, et par une largeur dans une direction d2 perpendiculaire à l'axe longitudinal A2 de la piste 4 et à la direction d1. L'épaisseur du matériau supraconducteur formant la piste 4 est, de préférence, suffisamment faible, par exemple comprise entre 1 nm et 10nm, pour qu'une barrière résistive puisse se former sur toute l'épaisseur de la piste 4. La piste 4 a, de préférence, une section constante afin de conserver un courant critique homogène. La piste 4 est aussi, de préférence, assez large pour avoir une bonne probabilité de capter un photon, et pas trop large afin qu'une barrière résistive puisse se former sur toute sa largeur lorsqu'un photon est absorbé. La largeur de la piste 4 supraconductrice peut être comprise entre 10nm et 250nm, cette largeur dépend bien sûr de l'énergie des photons incidents et de l'épaisseur de la piste 4. Dans une configuration où la largeur de la piste 4 supraconductrice est égale à la largeur de la couche électriquement conductrice 5, la largeur globale de l'élément de détection 2 peut aussi être optimisée pour améliorer le couplage au guide d'onde 1. Ainsi, on préférera choisir une largeur permettant à l'indice effectif du guide d'onde 1 d'égaler l'indice effectif de l'élément de détection 2.
En fonctionnement du dispositif, la piste 4 supraconductrice de l'élément de détection 2 est polarisée en courant à un courant inférieur à un courant critique pour une température inférieure à la température critique du matériau supraconducteur (température et courant en dessous desquels le matériau est supraconducteur). Par courant critique, on entend le courant en dessous duquel la piste 4 de l'élément de détection 2 est supraconductrice, c'est-à-dire ayant une résistance nulle, et au-dessus duquel la piste 4 devient de type métallique. De préférence, le courant de polarisation sera sensiblement égal à 0,9 fois le courant critique. Ainsi, lorsqu'un photon est absorbé par 10
l'élément de détection 2, il est possible de mesurer un pic de tension aux bornes de connexion de l'élément de détection 2. Ce pic correspond alors à la détection effective d'un photon par génération d'un point chaud et d'une barrière résistive dans la piste 4 supraconductrice au niveau de la zone de couplage.
Sur les figures 2 et 4, les bornes de connexion 3a, 3b sont en contact électrique avec la piste 4 supraconductrice au niveau de ses extrémités. La piste 4 peut comporter une partie centrale rectiligne d'axe longitudinal A2 sensiblement parallèle à l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1. Cette partie centrale est, de préférence, placée à la verticale de la médiane du guide d'onde 1 selon son axe longitudinal Al. Perpendiculairement aux deux extrémités de cette partie centrale, et dans le plan de ladite piste 4, peuvent s'étendre deux pattes de la piste 4 reliées aux bornes de connexion 3a, 3b.
Bien entendu, il ne s'agit que d'un exemple de réalisation, l'homme du métier pouvant réaliser d'autres variantes permettant de mesurer un pic de tension au niveau de la piste 4 supraconductrice.
La couche électriquement conductrice 5 permet de diminuer significativement le temps mort du détecteur. En effet, après absorption du photon par l'élément de détection 2, la résistivité de la couche 5 électriquement conductrice sera plus faible que la barrière résistive générée dans la piste 4 supraconductrice. Ainsi, la couche 5 électriquement conductrice et la piste 4 supraconductrice étant en contact électrique, le courant sera dévié dans la couche 5 électriquement conductrice selon le principe de mise en parallèle de résistances de sorte à accélérer le processus de relaxation de la piste 4 supraconductrice de l'élément de détection 2.
Selon un premier mode de réalisation illustré aux figures 2 et 3, la piste 4 supraconductrice est disposée entre la couche électriquement conductrice 5 et le guide d'onde 1. Dans le cas où l'épaisseur de la piste 4 2966643 Il
supraconductrice reste faible (inférieure à 10nm, et typiquement entre 3nm et 4nm) devant celle de la couche 5 électriquement conductrice (supérieure à 10nm), la probabilité de détection d'un photon lors du passage de l'onde du guide d'onde 1 vers l'élément de détection 2 est alors inférieure à 10°/0. 5 Cependant, un couplage optique efficace est réalisé entre la couche 5 et le guide d'onde 1, ce couplage optique augmente la concentration de la puissance optique le long de la piste 4, augmentant de fait la probabilité de détection après le couplage. Autrement dit, au niveau de la zone de recouvrement partiel du guide d'onde 1 par l'élément de détection 2, le guide 10 d'onde est couplé optiquement avec la couche 5 électriquement conductrice, puis après couplage l'onde est confinée dans cette dernière, et la détection d'un photon peut avoir lieu au niveau de zones en contact de ladite couche 5 et de la piste 4 (typiquement sur toute la longueur de la piste 4). En plus d'améliorer les probabilités de détection, la couche électriquement 15 conductrice 5 permet de diminuer l'échauffement de la piste 4 induit par effet joule lors de l'absorption du photon. De préférence, on considère une zone de couplage entre le guide d'onde 1 et l'élément de détection 2 (préférentiellement un couplage optique entre la couche 5 électriquement conductrice et le guide d'ondel) et une zone de détection représentée par le 20 contact entre la piste 4 et la couche 5 électriquement conductrice, la zone de détection pouvant avoir des dimensions supérieures à celles de la zone de couplage.
Selon un second mode de réalisation illustré aux figures 4 et 5, la couche 5 25 électriquement conductrice est disposée entre la piste 4 et le guide d'onde 1 de sorte à permettre le couplage optique du guide d'onde 1 avec la couche 5 électriquement conductrice de l'élément de détection 2 dans la zone de couplage, ce couplage optique augmente la concentration de la puissance optique le long de la piste 4, augmentant de fait la probabilité de détection. Il 30 résulte de ce mode de réalisation une meilleure détection de photon. L'efficacité quantique d'un détecteur de photon caractérise sa capacité à 12
détecter ou non un photon. Dès lors, plus le couplage est efficace, plus un photon a des probabilités importantes d'être détecté. Ainsi, dans ce mode de réalisation particulier la probabilité de détection d'un photon est améliorée car la surface d'interaction au niveau de la piste 4 supraconductrice est augmentée grâce à la couche 5 électriquement conductrice. Autrement dit, l'adjonction d'une couche 5 électriquement conductrice, en contact électrique avec la piste 4 au niveau de la zone de couplage, favorise le confinement de l'onde électromagnétique au niveau de ladite couche 5 électriquement conductrice. La concentration de la puissance optique le long de la piste 4 est alors environ cent fois supérieure par rapport à l'art antérieur où la piste 4 est directement en regard du guide d'onde 1 au niveau de la zone de couplage, ou par rapport au premier mode de réalisation dans le cas où l'épaisseur de la piste 4 est supérieure à 10nm, il en résulte donc une meilleure sensibilité lors de la détection d'un photon. De plus, comme dans le premier mode de réalisation, la couche 5 électriquement conductrice placée en contact avec la piste 4 permet de diminuer l'échauffement induit par effet joule de cette dernière lors de l'absorption du photon, favorisant ainsi sa relaxation. Comme évoqué dans le premier mode de réalisation, on peut faire une différence entre la zone de couplage et la zone de détection.
De préférence, le guide d'onde 1 et la couche électriquement conductrice 5 sont maintenus à distance l'un de l'autre par un matériau diélectrique, par exemple de l'oxyde de silicium, permettant de limiter la réflexion, la diffusion ou l'absorption de l'onde considérée. Ce matériau diélectrique est, de préférence, transparent à la longueur d'onde considérée. De manière générale, le guide d'onde 1 a un indice plus élevé, typiquement entre 2 et 4, que le matériau diélectrique, d'indice typiquement compris entre 1 et 1,7, de sorte à confiner l'onde considérée dans le guide d'onde 1 et à limiter son évanescence dans le matériau diélectrique.30
L'élément de détection 2 peut recouvrir partiellement le guide d'onde 1 au niveau de la zone de couplage, la longueur de recouvrement Lr partiel du guide d'onde 1 par l'élément de détection 2 est un multiple entier impair (2n+1, avec n entier positif) d'une longueur de couplage effectif Lc entre le guide d'onde 1 et l'élément de détection 2. Sur les figures 3 et 5, la longueur de recouvrement Lr est orientée selon l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1. La longueur de couplage Lc correspond à une distance caractéristique représentative de la fraction de puissance transmise du guide d'onde 1 à l'élément de détection 2. En fait, elle correspond à la distance minimale pour laquelle le maximum de puissance est transféré du guide d'onde 1 vers l'élément de détection 2, de préférence à la couche 5 électriquement conductrice. La longueur de couplage effectif Lc dépend donc des indices effectifs des modes propres se propageant dans le guide d'onde 1 et dans l'élément de détection 2, et des indices effectifs des supermodes résultant du couplage entre ces deux modes propres dans la superstructure composée du guide d'onde 1 et de l'élément de détection 2. Par mode propre, on entend le mode se propageant dans un guide seul. Les indices effectifs de chacun des modes propres dépendent de la géométrie du guide d'onde 1 et de l'élément de détection 2 tandis que les indices effectifs des supermodes dépendent en plus de la distance séparant le guide d'onde 1 de l'élément de détection (2), voir en ce sens la publication dans « Fundamentals of Optical Waveguides » de K. Okamoto 2006, Elsevier pages 159 à 166.
L'indice effectif des modes supportés par le guide d'onde 1 et l'élément de détection peut être calculé numériquement par un solveur de mode, dans ce cas l'indice dépend aussi de la géométrie du guide et pas seulement des propriétés du matériau. Ainsi, pour optimiser le couplage, on fixera, pour une onde considérée les géométries du guide d'onde 1 et de l'élément de détection 2 de sorte que le rapport de leurs indices effectifs tende vers 1.30 Après fixation de la géométrie du guide d'onde 1 et de l'élément de détection 2, la distance séparant le guide d'onde 1 de l'élément de détection 2 au niveau de la zone de couplage est aussi optimisée en fonction de l'onde considérée. Cet intervalle de séparation influe sur la longueur de couplage et
sur la fraction de puissance transmise donc sur la compacité et l'efficacité du dispositif de détection. La distance de séparation adaptée peut être calculée par calculs numériques en FDTD, par exemple en utilisant un logiciel de type RSOFT©. De manière générale, la différence des indices effectifs des supermodes est maximale pour un faible espacement, et plus la différence
io des indices est grande, plus le couplage est optimal. Par optimal, on considère que la longueur de couplage Lc est faible et qu'une forte fraction de puissance est couplée. En fait, il faut de préférence éviter la réflexion au niveau de la couche électriquement conductrice 5. 15 L'élément de détection 2 peut aussi former une cavité résonnante, par exemple de type Fabry-Perrot, agencée pour piéger un photon incident qui n'aurait pas été absorbé par la piste 4 lors de son premier passage dans l'élément de détection. 20 Dans un premier exemple de réalisation à cavité résonnante illustré à la figure 6, le guide d'onde 1 est interrompu alors que l'élément de détection 2, de préférence toujours sous la forme d'un bicouche (piste 4/couche 5), continu. Autrement dit, la longueur de recouvrement partiel Lr de l'élément de détection par rapport au guide d'onde 1, au niveau de la zone de couplage,
25 est égale à un multiple impair de la longueur de couplage effectif Lc entre le guide d'onde 1 et l'élément de détection 2, tandis que la longueur totale Ltot de l'élément de détection 2 est égale à la longueur de recouvrement plus une longueur de cavité Lcav égale à 2 * n , avec la longueur d'onde incidente e~ (c'est-à-dire de la source), et ne l'indice effectif du mode se propageant 30 dans l'élément de détection 2. La longueur de cavité Lcav est définie par une 15
longueur, dans le prolongement de la longueur de recouvrement Lr, où aucun recouvrement entre l'élément de détection 2 et le guide d'onde 1 n'est réalisé.
Dans un deuxième exemple de réalisation de la cavité résonnante, l'élément de détection 2 peut être en regard du guide d'onde 1 sur toute sa longueur. Dès lors, il est possible de structurer le guide d'onde 1 par au moins un miroir, par exemple de Bragg, situé en aval de l'élément de détection 2 selon la direction de l'onde considérée dans le guide d'onde 1. Ce miroir permet de io réfléchir un photon non absorbé de l'onde considérée et de le renvoyer vers l'élément de détection 2. L'utilisation d'un tel miroir permet alors au moins un second passage du photon dans l'élément de détection 2, augmentant sa probabilité d'être absorbé et détecté.
15 Le dispositif de détection de photon, selon son mode de réalisation, peut être sensible à la polarisation. En effet, les modes utilisant un élément de détection 2 de forme sensiblement rectiligne au niveau de la zone de couplage (figures 2 à 5) sont sensibles à la polarisation TM. En fait, lorsqu'une onde électromagnétique, aussi appelée dans ce domaine onde 20 optique (pour une gamme de longueur d'onde comprise du visible au proche et moyen infrarouge), se propage selon un axe longitudinal Al du guide d'onde 1, cette onde se décompose en deux états de polarisation. Un premier état forme une composante transverse électrique (TE « Transverse Electric » en anglais) et un second état forme une composante transverse 25 magnétique (TM pour « Transverse Magnetic » en anglais). La composante TM comporte un champ électrique perpendiculaire au plan du guide d'onde 1 et un champ magnétique parallèle au plan du guide. La composante TE comporte quant à elle un champ magnétique perpendiculaire au plan du guide d'onde 1 et un champ électrique parallèle au plan du guide d'onde 1. 30 16
Selon un mode de réalisation illustré à la figure 7, l'élément de détection 2 a la forme d'un U réalisé dans un plan sensiblement parallèle au plan du guide d'onde 1. Ainsi, l'élément de détection peut comporter au moins deux branches 2a, 2b, de préférence d'axe longitudinal parallèle à l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1, recouvrant partiellement le guide d'onde 1. Les deux branches 2a, 2b sont reliées entre elles à une de leurs extrémités proximales par un élément de liaison 2c formant la base du U. Au niveau des branches 2a, 2b et de l'élément de liaison, la piste 4 est en contact avec la couche 5. De préférence, la distance séparant les deux branches 2a, 2b du U, aussi appelée fente, est constante, par exemple comprise entre 10nm à 200nm et typiquement fixée 50nm. La distance séparant les deux branches peut être ajustée pour une épaisseur de la couche électriquement conductrice 5 de sorte que les indices effectifs des modes propres se propageant dans le guide d'onde 1 et la couche électriquement conductrice 5 soient sensiblement égaux. De préférence, la fente est située dans un plan perpendiculaire au plan du guide d'onde 1 et passant par la médiane du guide d'onde 1, ladite médiane étant parallèle à l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1. Sur la figure 7, la base du U définie par l'élément de liaison 2c est proximale à la sortie du guide d'onde 1 flèche F2) pour permettre un couplage plus efficace et limiter la réflexion lors du couplage.
Ce mode de réalisation utilisant un élément de détection en forme de U comme sur la figure 7 est sensible à la polarisation TE.
Selon une variante du mode sensible à la polarisation TE illustrée à la figure 8, l'élément de détection 2 peut avoir la forme d'une ligne de créneaux, autrement dit de serpentin, ladite ligne étant d'axe A3 perpendiculaire à l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1 et située dans le plan de l'élément de détection 2. Dans l'exemple particulier illustré à la figure 8, l'élément de détection 2 peut être subdivisé en une pluralité de branches 2a, 21) chacune ayant un axe longitudinal sensiblement parallèle à l'axe longitudinal Al du 17
guide d'onde 1. Les branches 2a, 2b sont alternativement reliées par un élément de liaison 2c au niveau de premières extrémités d'une première et d'une deuxième branches adjacentes, puis au niveau de secondes extrémités de la deuxième et d'une troisième branches, adjacentes, de sorte à former une fente entre deux branches 2a, 2b adjacentes. Au niveau des branches 2a, 2b et des éléments de liaison 2c, l'élément 2 est comporte un bicouche piste 4/couche 5. Comme précisé précédemment pour le mode en forme de U, la largeur de la fente est ajustée pour une épaisseur de la couche électriquement conductrice 5 fixée de sorte que les indices effectifs des modes se propageant dans le guide d'onde 1 et la couche électriquement conductrice 5 soient sensiblement égaux. Les éléments de liaison 2c sont d'axe longitudinal sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal des branches 2a, 2b. La largeur de ces éléments de liaison 2c peut être supérieure à la largeur des branches 2a, 2b. La piste 4 supraconductrice de l'élément de détection 2 est reliée à ses extrémités respectives à des bornes de connexions (non représentées). De préférence, une des fentes est située dans un plan perpendiculaire au plan du guide d'onde 1 et passant par la médiane du guide d'onde 1, ladite médiane étant parallèle à l'axe longitudinal Al du guide d'onde 1, l'élément de liaison associé à cette fente est proximal à la sortie du guide d'onde 1 (flèche F2) pour limiter le phénomène de réflexion et permettre un meilleur couplage.
Cette variante à plusieurs fentes améliore les probabilités de détection du photon.
Un procédé de réalisation d'un dispositif de détection de photon est illustré aux figures 9 à 13 et comporte, sur un substrat 6, les étapes suivantes : former un guide d'onde 1 (figures 9, 10), former, à distance du guide d'onde 1, un élément de détection 2 comportant une piste 4 supraconductrice, et une couche 5 électriquement conductrice en contact électrique avec la piste 4 supraconductrice au 18
niveau de la zone de couplage de l'élément de détection 2 avec le guide d'onde 1.
Autrement dit, le guide d'onde 1 et l'élément de détection 2 sont réalisés dans des plans décalés de sorte que l'élément de détection 2 recouvre partiellement le guide d'onde 1 au niveau de la zone de couplage. De préférence, l'élément de détection 2 est orienté selon un axe longitudinal Al du guide d'onde 1.
Selon un développement, après formation du guide d'onde 1, ce dernier est encapsulé ou recouvert en partie (figure 11), avant la formation de l'élément de détection, par un matériau diélectrique 7 de faible indice de réfraction par rapport à l'indice de réfraction du guide d'onde 1, ce matériau diélectrique 7 est, de préférence, de l'oxyde de silicium. Par faible indice, on entend un matériau dont l'indice de réfraction est compris entre 1 et 1,7. Cette encapsulation permet notamment de décaler le guide d'onde 1 du futur l'élément de détection 2 de sorte à les maintenir à distance.
De préférence, le dispositif peut être avantageusement réalisé comme illustré à la figure 9 à partir d'un substrat de type SOI (silicium 8 sur isolant 9). Ainsi, l'étape de formation du guide d'onde 1 est réalisée par gravure partielle ou totale de la couche supérieure de silicium 8 (figure 9 et 10). Par gravure totale, on entend la gravure de la couche supérieure de silicium 8 jusqu'à la couche d'isolant 9 pour former le guide d'onde 1 en silicium. Une gravure partielle permet, par exemple, de former des réseaux ou nervures pour le couplage à une fibre optique comme décrit précédemment.
Comme illustré à la figure 12, l'élément de détection 2 peut être formé au dessus du guide d'onde 1 sur le diélectrique 7, recouvrant le guide d'onde 1 en silicium, par dépôt et structuration d'un matériau électriquement conducteur destiné à former la couche 5, puis par dépôt et structuration d'un 19
matériau supraconducteur destiné à former la piste 4. Bien entendu, l'autre mode de réalisation peut aussi être réalisé par dépôt et structuration d'un matériau supraconducteur destiné à former la piste, puis par dépôt et structuration d'un matériau électriquement conducteur destiné à former la couche électriquement conductrice. Des couches d'accroches ultraminces peuvent également être déposées pour favoriser le dépôt des couches destinées à former les éléments référencés 4 et 5.
Selon une variante, l'élément de détection 2 peut aussi être formé en utilisant la méthode Damascène, le diélectrique 7 recouvrant le guide d'onde 1 étant alors structuré de sorte à former une tranchée (figure 13) dans laquelle sera réalisé l'élément de détection 2, par exemple par dépôt de deux couches successives (couche supraconductrice puis couche électriquement conductrice ou inversement) et des étapes de polissage. La méthode Damascène présente l'avantage de former un élément de détection 2 dont les bords sont plus abrupts et moins rugueux que ceux obtenus par une gravure directe des matériaux. Cette méthode permet aussi l'utilisation de matériaux dont la gravure directe n'est pas facilement reproductible comme par exemple le cuivre.
Bien entendu, le procédé décrit ci-dessus peut être adapté pour réaliser la structure de la zone de couplage à base de créneaux, rectiligne ou en U, les masques de gravure ou les tranchées du procédé Damascène s'adaptant à l'architecture souhaitée. Un tel dispositif de détection de photon permet notamment le comptage de photon unique dans le domaine de l'infrarouge, la transmission sécurisée de l'information.
30 L'invention permet encore d'être sensible à la polarisation TE ou TM de l'onde incidente pour, par exemple, décrypter une information.25 20 Bien entendu, ce dispositif pourra être utilisé dans tout domaine dans lequel un comptage précis de photons est utilisé.
Le dispositif décrit ci-dessus permet de réduire les temps morts. L'ajout de la couche électriquement conductrice permet entre autres d'augmenter la densité de puissance et de ralentir un photon, améliorant ainsi sa probabilité de détection.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de détection de photon comportant : un élément de détection (2) de photon comprenant une piste (4) supraconductrice, un guide d'onde (1) agencé pour être couplé à l'élément de détection (2) par plasmon de surface au niveau d'une zone de couplage, ledit guide d'onde (1) étant maintenu à distance de l'élément de détection (2), 1 o caractérisé en ce qu'au niveau de la zone de couplage, l'élément de détection (2) comporte une couche (5) électriquement conductrice en contact électrique avec la piste (4) supraconductrice.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la piste (4) 15 supraconductrice comporte un état supraconducteur et un état métallique, la résistivité électrique de la piste (4) supraconductrice dans son état métallique étant supérieure à la résistivité électrique de la couche (5) électriquement conductrice. 20
- 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche (5) électriquement conductrice est disposée entre la piste (4) supraconductrice et le guide d'onde (1).
- 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la 25 piste (4) supraconductrice est disposée entre la couche (5) électriquement conductrice et le guide d'onde (1).
- 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'élément de détection (2) recouvre partiellement le guide d'onde (1) au 30 niveau de la zone de couplage, et en ce que la longueur de recouvrement (Lr) partiel du guide d'onde (1) par l'élément de détection (2) est un multiple 21entier impair d'une longueur de couplage effectif entre le guide d'onde (1) et l'élément de détection (2).
- 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de détection (2) forme une cavité résonnante agencée pour piéger un photon incident.
- 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément de détection (2) recouvre partiellement le guide d'onde (1) au niveau de la zone de couplage, et en ce que la longueur de recouvrement (Lr) partiel du guide d'onde (1) par l'élément de détection (2) est égale à un multiple impair de la longueur de couplage effectif entre le guide d'onde (1) et l'élément de détection (2), la longueur totale de l'élément de détection (2) étant égale à la longueur de recouvrement plus une longueur de cavité égale à 2* n , avec eff  la longueur d'onde incidente et nef. l'indice effectif du mode se propageant dans l'élément de détection (2).
- 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le guide d'onde (1) est structuré par un miroir en aval de l'élément de détection (2) selon le sens de déplacement de l'onde dans le guide d'onde (1), ledit miroir étant agencé pour réfléchir un photon non absorbé vers l'élément de détection (2) et autoriser un second passage du photon dans l'élément de détection (2).
- 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la distance séparant le guide d'onde (1) de l'élément de détection (2) au niveau de la zone de couplage est comprise entre 10nm et 500nm.
- 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (5) électriquement conductrice est comprise entre 10 et 200nm . 23
- 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'élément de détection (2) a une épaisseur totale, au niveau de la zone de couplage, comprise entre 11 nm et 210nm.
- 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que l'élément de détection (2) a une forme de U réalisée dans un plan parallèle au plan du guide d'onde (1), les deux branches (2a, 2b) du U recouvrant partiellement le guide d'onde (1). 10
- 13. Procédé de réalisation d'un dispositif de détection de photon selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte, sur un substrat, les étapes suivantes : former un guide d'onde (1), 15 former, à distance du guide d'onde (1), un élément de détection (2) comportant une couche (5) électriquement conductrice en contact électrique avec une piste (4) supraconductrice au niveau d'une zone de couplage de l'élément de détection (2) avec le guide d'onde (1). 20 25
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- 2011-10-17 WO PCT/FR2011/000557 patent/WO2012052628A2/fr active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2884916A1 (fr) * | 2005-04-25 | 2006-10-27 | Commissariat Energie Atomique | Detecteur optique ultrasensible a grande resolution temporelle, utilisant un plasmon de surface |
| FR2886762A1 (fr) * | 2005-06-07 | 2006-12-08 | Commissariat Energie Atomique | Detecteur optique ultrasensible, a grande resolution temporelle, utilisant un guide d'onde, et procedes de fabrication de ce detecteur |
| FR2891400A1 (fr) * | 2005-09-28 | 2007-03-30 | Commissariat Energie Atomique | Detecteur optique ultrasensible, a grande resolution temporelle, utilisant un mode a fuites d'un guide d'onde plan, et procedes de fabrication de ce detecteur |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A. KORNEEV ET AL: "Ultrafast and high quantum efficiency large-area superconducting single-photon detectors", PROCEEDINGS OF SPIE, vol. 6583, 1 January 2007 (2007-01-01), pages 65830I - 65830I-9, XP055008569, ISSN: 0277-786X, DOI: 10.1117/12.723684 * |
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| XIAOLONG HU ET AL: "Efficiently Coupling Light to Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, IEEE SERVICE CENTER, LOS ALAMITOS, CA, US, vol. 19, no. 3, 1 June 2009 (2009-06-01), pages 336 - 340, XP011263549, ISSN: 1051-8223 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2012052628A3 (fr) | 2012-08-09 |
| WO2012052628A2 (fr) | 2012-04-26 |
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